DE102006055487A1

DE102006055487A1 - Kraftstoffinjektor

Info

Publication number: DE102006055487A1
Application number: DE200610055487
Authority: DE
Inventors: Friedrich Boecking
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2006-11-24
Filing date: 2006-11-24
Publication date: 2008-05-29
Also published as: WO2008061842A1

Abstract

Bei einem Kraftstoffinjektor (1) für Brennkraftmaschinen mit einem an eine Hochdruckseite (5) angeschlossenen Steuerraum (2), über dessen Druck die Bewegung einer Düsennadel (3) gesteuert wird, und mit einem Steuerventil (6), das die Verbindung des Steuerraums (2) zu einer Niederdruckseite (7) entweder sperrt oder öffnet, weist das Steuerventil (6) erfindungsgemäß einen in einer Bohrung (9a) eines Führungsstücks (9) zwischen zwei Ventilstellungen verschiebbar geführten kraftausgeglichenen Steuerkolben (10) auf, der die Verbindung eines vom Steuerraum (2) kommenden und in die Bohrung (9a) mündenden Verbindungskanals (13) zur Niederdruckseite (7) in seiner geschlossenen Ventilstellung sperrt und in seiner in Richtung Düsennadel (3) verschobenen geöffneten Ventilstellung freigibt.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Kraftstoffinjektor nach der Gattung des Patentanspruchs 1.
Offenbarung der Erfindung
Der erfindungsgemäße Kraftstoffinjektor mit seiner kraftausgeglichenen Steuerhülse hat je nach Bauart einen oder mehrere der folgenden Vorteile:

– Mit einem kraftausgeglichenen Steuerventil kann die Dynamik verbessert werden.
– Sehr kompakte Lösung mit einem kraftausgeglichenen Magnetventil.
– Das Konzept ist inlinetauglich.
– Durch Verwendung eines kompakten kraftausgeglichenen Ventils, bei dem die Leckage durch den Steuerkolben und nicht über den Anker geführt wird, kann ein fast schwingungsfreies hoch dynamisches Ventil gebaut werden.
– Ein als Flachsitz ausgebildeter Ventilsitz ermöglicht eine kompakte Ventilbauform, die über den Flachsitz mit extrem steilem Durchflussverhalten sehr kleine Ventilhübe zulässt, wodurch die Dynamik des Ventils beträchtlich gesteigert werden kann.
– Durch Verwendung eines kraftausgeglichenen Ventils kann ein sehr schmaler Piezoaktor verwendet werden, der speziell auf Hub gezüchtet ist. Da vom Piezoaktor kaum Kraft abverlangt wird, kann er im Durchmesser sehr klein sein.
– Einfachste Lösung für ein Piezo Inline-Konzept mit kraftausgeglichenem Steuerventil, das nach außen in Bewegungsrichtung des Piezoaktors öffnet.
– Ein nach außen öffnendes, kraftausgeglichenes Steuerventil mit integriertem hydraulischem Übersetzer, der gleichzeitig die Bewegungsrichtung umkehrt, stellt eine kompakte Lösung dar, die einen sehr kleinen, schmalen Piezoaktor zulässt.

Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstands der Erfindung sind der Beschreibung, der Zeichnung und den Ansprüchen entnehmbar.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Verschiedene Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Die Figuren sind teilweise abgebrochen, schematisch und nicht maßstäblich. Es zeigen:
1 bis 6 sechs verschiedene Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors.
Ausführungsformen der Erfindung
Der in 1 gezeigte Kraftstoffinjektor 1 wird üblicherweise bei einer Brennkraftmaschine mit mehreren Zylindern verwendet, wobei jedem dieser Zylinder ein solcher Injektor (Kraftstoffeinspritzventil) zugeordnet ist. Der Injektor weist in an sich bekannter Weise eine in einen Zylinderbrennraum der Brennkraftmaschine ragende, hier nicht näher dargestellte Einspritzdüse sowie eine die Einspritzdüse abhängig vom Druck in einem Steuerraum 2 öffnende und schließende, hier nur zu einem kleinen Teil angedeutete Düsennadel 3 auf. Der Steuerraum 2 ist über eine Zulaufdrossel (Z-Drossel) 4 dauerhaft an eine Hochdruck-Zulaufleitung (Hochdruckseite) 5 des Kraftstoffs angeschlossen. Zum Steuern des Einspritzvorgangs ist ein Steuerventil 6 in Form eines 2/2-Wegeventils vorgesehen, das die Verbindung des Steuerraums 2 mit einem Niederdruckraum (Niederdruckseite) 7 öffnet oder sperrt. Die Hochdruck-Zulaufleitung 5 ist mit einem nicht gezeigten Hochdruckspeicher (Common Rail) und der Niederdruckraum 7 mit einem Leckölablauf 7a verbunden. Die Düsennadel 3 ist unter Ausbildung des Steuerraums 2 in einem Ventilstück 8 geführt, in dem auch die Z-Drossel 4 vorgesehen ist.
Das Steuerventil 6 weist ein Führungsstück 9 mit einer Durchgangsbohrung 9a und einen darin zwischen zwei Ventilstellungen verschiebbar geführten Steuerkolben 10 auf, dessen in 1 oberes Kolbenende in den Niederdruckraum 7 ragt. Die Ventil- und Führungsstücke 8, 9 sind in einer Bohrung eines Injektorkörpers 11 angeordnet, wobei das Ventilstück 8 in der Injektorbohrung durch das darin eingeschraubte Führungsstück 9 verspannt ist. Die Durchgangsbohrung 9a ist unten durch das Ventilstück 8 verschlossen. In den Ventil- und Führungsstücken 8, 9 verläuft ein vom Steuerraum 2 abgehender Verbindungskanal 13, der in die Bohrung 9a des Führungsstücks 9, genauer gesagt in eine Ringnut 14 des Steuerkolbens 10, mündet und eine Ablaufdrossel (A-Drossel) 15 aufweist. In der Bohrung 9a des Führungsstücks 9 schließt sich unten an die Ringnut 14 ein konischer Ventilsitz 16 an. Der Steuerkolben 10 hat an seinem verdickten unteren Ende eine konische Dichtfläche, die mit dem konischen Ventilsitz 16 zusammenwirkt. Über eine Längsbohrung (Hohlbohrung) 17 im Steuerkolben 10 ist der Ventilsitz 16 mit dem Niederdruckraum 7 oberhalb des Steuerkolbens 10 verbunden. Der Steuerkolben 10 ist durch eine gehäuseseitig abgestützte Schließfeder 18 in seine in 1 gezeigte geschlossene Ventilstellung vorgespannt und mittels einer Magnetspule 19, deren Magnetfeld auf einen scheibenförmigen Anker 20 des Steuerkolbens 10 wirkt, in seine geöffnete Ventilstellung verschiebbar. Der Anker 20 ist am oberen Ende des Steuerkolbens 10 vorgesehen. Da das Steuerventil 6 ein nach außen öffnendes Ventil (A-Ventil) ist, liegt die Magnetspule 19 unter dem Anker 20. Die Magnetspule 19 mit ihrem Magnetkern 21 ist im Innern einer Magnethülse 22 angeordnet, die mittels einer Magnetspannmutter 23 am Injektorkörper 11 befestigt ist.
Der Durchmesser d des Ventilsitzes 16 ist gleich dem Führungsdurchmesser D des Führungsstücks 9, wodurch der Steuerkolben 10 in seiner in 1 gezeigten geschlossenen Ventilstellung bezüglich des in der Ringnut 14 herrschenden Hochdrucks kraftausgeglichen ist. In dieser geschlossenen Ventilstellung ist die Verbindung des Steuerraums 2 zur Niederdruckseite 7 durch den Steuerkolben 10 gesperrt und daher die Düsennadel 3 durch den im Steuerraum 2 herrschenden Hochdruck geschlossen. Wird die Magnetspule 19 bestromt, wird der Steuerkolben 10 vom Ventilsitz 16 in Richtung Düsennadel 3, also nach unten, in seine geöffnete Ventilstellung gezogen, wodurch sich der Druck im Steuerraum 2 reduziert und die Düsennadel 3 öffnet. Der beim Öffnen des Steuerkolbens 10 auftretende Druckstoß (Absteuerstoß) wird nicht über den Anker 20, sondern über die Längsbohrung 17 abgeführt, wodurch der Steuerkolben 10 nicht zum Schwingen angeregt wird. Der Weg der abgesteuerten Kraftstoffmenge vom Ventilsitz 16 bis zum Leckölablauf 7a ist mit Strömungspfeil 24 gekennzeichnet. Da der Steuerkolben 10 kraftausgeglichen ist, werden nur kleine Kräfte benötigt, um den Steuerkolben 10 zu öffnen. Der Steuerkolben 10 macht nur einen sehr kleinen Öffnungshub von ca. 20-30 μm. Bei geöffnetem Steuerkolben 10 begrenzt die A-Drossel 15 den Durchfluss. Wird die Bestromung der Magnetspule 19 aufgehoben, wird der Steuerkolben 10 über die Schließfeder 18 zurück in seine geschlossene Ventilstellung bewegt und der Steuerraum 2 über die Z-Drossel 4 wieder gefüllt. Über Leckölbohrungen 25 im Injektorkörper 11 und in den Ventil- und Führungsstücken 8, 9 kann die restliche Leckage des Injektors 1 ebenfalls über das Steuerventil 6 abgeführt werden. Der kraftausgeglichene Steuerkolben 10 und die Leckageführung durch den Steuerkolben 10 ermöglichen ein fast schwingungsfreies, hoch dynamisches Steuerventil 6.
Bei den nachfolgend beschriebenen weiteren Ausführungsformen von Kraftstoffinjektoren sind all diejenigen Elemente, die mit der in 1 gezeigten ersten Ausführungsform identisch sind, mit denselben Bezugsziffern versehen, so dass hinsichtlich deren Beschreibung vollinhaltlich auf die Ausführungen zur ersten Ausführungsform Bezug genommen wird.
Vom Injektor der 1 unterscheidet sich der in 2 gezeigte Kraftstoffinjektor 1 dadurch, dass hier der Anker 20 am unteren Ende des Steuerkolbens 10 angeordnet ist und der Ventilsitz 16 als Flachsitz ausgebildet ist. An den Ventilsitz 16 des Führungsstücks 9 schließt sich niederdruckseitig eine Längsbohrung 26 im Führungsstück 9 an, die in den Niederdruckraum 7 mündet. Der beim Öffnen des Steuerkolbens 10 auftretende Druckstoß (Absteuerstoß) wird so nicht über den Anker 20 und dessen Längsbohrung 17, sondern unmittelbar über die Längsbohrung 26 des Führungsstücks 9 abgeführt, wodurch der Steuerkolben 10 nicht zum Schwingen angeregt wird. Weiterhin sind die Ventil- und Führungsstücke 8, 9 über eine Ventilspannschraube 12 in der Bohrung des Injektorkörpers 11 verspannt. Dieser Injektor 1 stellt eine sehr kompakte Lösung mit einem kraftausgeglichenen Steuerventil 6 dar, wobei die Kombination eines Flachsitzes 16 mit einem kraftausgeglichenen Steuerkolben 10 eine sehr hohe Dynamik zulässt.
Vom Injektor der 1 unterscheidet sich der in 3 gezeigte Kraftstoffinjektor 1 dadurch, dass hier die Ringnut 14 im Führungsstück 9 ausgebildet ist und sich der Ventilsitz 16 nach oben, also in Schließrichtung des Steuerkolbens 10, an die Ringnut 14 anschließt. Die Sitzöffnung des Ventilsitzes 16 ist über einen zwischen Steuerkolben 10 und Magnetkern 21 befindlichen Ringspalt 31 an den Niederdruckraum 7 angeschlossen. Die Schließfeder 18 ist zwischen Ventilstück 8 und Steuerkolben 10 in einem Federraum 32 angeordnet, der über Längs- und Querbohrungen 17, 33 mit dem Niederdruckraum 7 bzw. mit dem Ringspalt 31 verbunden ist. Die Verbindung der Ringnut 14 zum Ringspalt 31, also die Verbindung des Steuerraums 2 zum Niederdruckraum 7, ist in der geschlossenen Ventilstellung gesperrt und in der geöffneten Ventilstellung freigegeben.
Vom Injektor der 1 unterscheidet sich der in 4 gezeigte Kraftstoffinjektor 1 dadurch, dass hier der Steuerkolben 10 über einen hydraulischen Übersetzer 40, der wiederum von einem hier nur schematisch als Pfeil angedeuteten Piezoaktor 41 angesteuert wird, geöffnet wird. Der hydraulische Übersetzer 40 umfasst zwei Kolben 43, 44, die durch einen dazwischen liegenden kraftstoffgefüllten Übersetzerraum 42 miteinander gleichläufig bewegungsgekoppelt sind. Der Piezoaktor 41 wirkt auf den oberen Kolben 43, und der untere Kolben 44 ist einstückig mit dem Steuerkolben 10 ausgebildet. In der gezeigten geschlossenen Ventilstellung ist der Piezoaktor 41 nicht bestromt und folglich verkürzt, wodurch der obere Kolben 43 nach oben verschoben ist und somit der untere Kolben 44 bzw. der Steuerkolben 10 nach oben in die geschlossene Ventilstellung verschoben sind. Wird der Piezoaktor 41 bestromt, verlängert er sich gegen die Wirkung einer Rohrfeder 45, wodurch der obere Kolben 43 nach unten geschoben wird und somit der untere Kolben 44 bzw. der Steuerkolben 10 ebenfalls nach unten in die geöffnete Ventilstellung verschoben werden. Wird der Piezoaktor 41 nicht mehr bestromt, wird der Steuerkolben 10 über die am oberen Kolben 43 abgestützte Schließfeder 18 zurück in seine geschlossene Ventilstellung bewegt und der Steuerraum 2 über die Z-Drossel 4 wieder gefüllt. Da vom Piezoaktor 41 kaum Kraft abverlangt wird, kann er im Durchmesser sehr klein ausgebildet werden. Durch die Längsbohrung 17 und Querbohrungen 46 im Steuerkolben 10 sowie durch Löcher 47 einer gemeinsamen Zylinderhülse 48 strömt bei geöffnetem Steuerkolben 10 die aus dem Steuerraum 2 abgesteuerte Kraftstoffmenge in den Niederdruckraum 7. Das kompakte Steuerventil 6 ist ein nach außen öffnendes (A-Ventil), das in Kraftrichtung des Piezoaktors 41 öffnet und hydraulisch übersetzt den kraftausgeglichenen Steuerkolben 10 steuert, wodurch der Piezoaktor 31 sehr schmal aufgebaut werden kann.
Vom Injektor der 3 unterscheidet sich der in 5 gezeigte Kraftstoffinjektor 1 dadurch, dass hier der Steuerkolben 10 direkt von einem Piezoaktor 41 geöffnet wird und der Ventilsitz 16 als Flachsitz ausgebildet ist. Der Piezoaktor 41 hängt in einem Gehäuse 51 aus Invar, welches in der Bohrung des Injektorkörpers 11 fixiert ist. Der Piezoaktor 41 ist durch eine Membran 52 vom Niederdruckraum 7 abgetrennt und somit vor Kraftstoff geschützt. In der gezeigten geschlossenen Ventilstellung ist der Piezoaktor 41 nicht bestromt und folglich verkürzt, wodurch der Steuerkolben 10 nach oben in die geschlossene Ventilstellung verschoben sind. Wird der Piezoaktor 41 bestromt, verlängert er sich gegen die Wirkung der Rohrfeder 45, wodurch der Steuerkolben 10 nach unten in die geöffnete Ventilstellung verschoben wird. Wird der Piezoaktor 41 nicht mehr bestromt, wird der Steuerkolben 10 über die Schließfeder 18 zurück in seine geschlossene Ventilstellung bewegt und der Steuerraum 2 über die Z-Drossel 4 wieder gefüllt. Dieses kompakte kraftausgeglichene Steuerventil 6, das in Kraftrichtung des Piezoaktors 41 öffnet, ermöglicht es, den Piezoaktor 41 im Querschnitt und Hub (20-30μm) zu reduzieren.
Vom Injektor der 5 unterscheidet sich der in 6 gezeigte Kraftstoffinjektor 1 dadurch, dass hier der Steuerkolben 10 nicht direkt vom Piezoaktor 41, sondern über den in 4 gezeigten hydraulischen Übersetzer 40 geöffnet wird.

Claims

Kraftstoffinjektor (1) für Brennkraftmaschinen, mit einem an eine Hochdruckseite (5) angeschlossenen Steuerraum (2), über dessen Druck die Bewegung einer Düsennadel (3) gesteuert wird, und mit einem Steuerventil (6), das die Verbindung des Steuerraums (2) zu einer Niederdruckseite (7) entweder sperrt oder öffnet, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerventil (6) einen in einer Bohrung (9a) eines Führungsstücks (9) zwischen zwei Ventilstellungen verschiebbar geführten kraftausgeglichenen Steuerkolben (10) aufweist, der die Verbindung eines vom Steuerraum (2) kommenden und in die Bohrung (9a) mündenden Verbindungskanals (13) zur Niederdruckseite (7) in seiner geschlossenen Ventilstellung sperrt und in seiner in Richtung Düsennadel (3) verschobenen geöffneten Ventilstellung freigibt.
Kraftstoffinjektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilstück (9) innerhalb seiner Bohrung (9a) einen Ventilsitz (16) aufweist, der sich in Öffnungsrichtung des Steuerkolbens (10) an den in die Bohrung (9a) mündenden Verbindungskanal (13) anschließt und an dem der Steuerkolben (10) in seiner geschlossenen Ventilstellung anliegt, wobei der Ventilsitz (16) an die Niederdruckseite (7) angeschlossen ist.
Kraftstoffinjektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilsitz (16) über eine Längsbohrung (17) des Steuerkolbens (10) an die Niederdruckseite (7) angeschlossen ist.
Kraftstoffinjektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilstück (9) innerhalb seiner Bohrung (9a) einen Ventilsitz (16) aufweist, der sich in Schließrichtung des Steuerkolbens (10) an den in die Bohrung (9a) mündenden Verbindungskanal (13) anschließt und an dem der Steuerkolben (10) in seiner geschlossenen Ventilstellung anliegt, wobei die Sitzöffnung des Ventilsitzes (16) an die Niederdruckseite (7) angeschlossen ist.
Kraftstoffinjektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerkolben (10) in seiner geschlossenen Ventilstellung an einem Ventilsitz (16) anliegt, dessen Sitzdurchmesser (d) gleich dem Führungsdurchmesser (D) der Bohrung (9a) des Führungsstücks (9) ist.
Kraftstoffinjektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbindungskanal (13) in eine Ringnut (14) des Steuerkolbens (10) oder des Führungsstücks (9) mündet.
Kraftstoffinjektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerkolben (10) mittels eines Ankers (20) im Magnetfeld einer Magnetspule (19) verschiebbar ist.
Kraftstoffinjektor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetspule (19) in Schließrichtung des Steuerkolben (10) hinter dem Anker (20) angeordnet ist.
Kraftstoffinjektor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerkolben (10) mittels eines Piezoaktors (41) und vorzugsweise eines hydraulischen Übersetzers (40) verschiebbar ist.